(57)【要約】【課題】  脚部先端の足平の制御により走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に受ける負荷を軽減する。【解決手段】  足平が離床する際や着床する際に、脚が伸びきった状態などの特異姿勢に近づくと、ロボットの関節角θの角速度は無限大となり、関節への負荷が過大となる。そこで、脚の可操作度が大きくなるように足部の接地拘束条件を設定することにより、足平が離床する際や着床する際に脚の各関節が受ける負荷を低減する。さらに、各関節の微小変動量に基づく位置エネルギが最小又はより小さくなるように、足部の姿勢を決定する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
足部を備えた脚部を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の可操作度を算出する可操作度算出手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際に、可操作度が最大又はより大きくなるように前記足部の接地面に対する拘束条件を設定する拘束条件設定手段を備え、
前記制御部は、足部の接地面に対する拘束条件下で脚部の駆動を制御する、
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項２】
前記ロボット装置の移動は跳躍動作を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項３】
前記ロボット装置の移動は走行動作を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項４】
前記拘束条件設定部は、前記脚部の離床時又は着床時において前記足部のつま先の接地面に対する拘束条件を設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項５】
前記拘束条件設定部は、前記脚部の離床時又は着床時において前記足部の踵の接地面に対する拘束条件を設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のロボット装置。
【請求項６】
足平と関節部を備えた脚を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際における前記関節部の微小変動量に基づく位置エネルギを算出するエネルギ算出手段を備え、
前記制御手段は、前記位置エネルギが最小又はより小さくなるように前記足平を制御する、
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記位置エネルギが最小又はより小さくなるように前記足平が接地床面となす姿勢角を制御する、
ことを特徴とする請求項６に記載のロボット装置。
【請求項８】
複数の脚部を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際のＺＭＰ軌道を計画するＺＭＰ軌道計画手段と、
前記ロボット装置の傾き状態量を算出する状態量算出手段と、
前記算出された傾き状態量を減少させるための修正ＺＭＰ軌道を算出する修正ＺＭＰ軌道算出手段と、
前記ＺＭＰ軌道計画手段によるＺＭＰ軌道と、前記修正ＺＭＰ軌道算出手段による修正ＺＭＰ軌道の偏差を算出する軌道偏差算出手段と、
該ＺＭＰ軌道の偏差に基づいて、前記脚部の次の歩を決定する歩決定手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
【請求項９】
足部を備えた脚部を有するロボット装置の運動制御方法であって、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際に、前記脚部の可操作度を算出する可操作度算出ステップと、
可操作度が最大又はより大きくなるように前記足部の接地面に対する拘束条件を設定する拘束条件設定ステップと、
足部の接地面に対する拘束条件下で脚部の駆動を制御する駆動制御ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の運動制御方法。
【請求項１０】
前記ロボット装置の移動は跳躍動作を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の運動制御方法。
【請求項１１】
前記ロボット装置の移動は走行動作を含む、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の運動制御方法。
【請求項１２】
前記拘束条件設定ステップでは、前記脚部の離床時又は着床時において前記足部のつま先の接地面に対する拘束条件を設定する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の運動制御方法。
【請求項１３】
前記拘束条件設定ステップでは、前記脚部の離床時又は着床時において前記足部の踵の接地面に対する拘束条件を設定する、
ことを特徴とする請求項９に記載のロボット装置の運動制御方法。
【請求項１４】
足平と関節部を備えた脚を有するロボット装置の運動制御方法であって、
前記ロボット装置が移動する際における前記関節部の微小変動量に基づく位置エネルギを算出するエネルギ算出ステップと、
前記位置エネルギが最小又はより小さくなるように前記足平を制御する駆動制御ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の運動制御方法。
【請求項１５】
前記駆動制御ステップでは、前記位置エネルギが最小又はより小さくなるように前記足平が接地床面となす姿勢角を制御する、
ことを特徴とする請求項１４に記載のロボット装置の運動制御方法。
【請求項１６】
複数の脚部を有するロボット装置の運動制御方法であって、
前記ロボット装置が移動する際のＺＭＰ軌道を計画するＺＭＰ軌道計画ステップと、
前記ロボット装置の傾き状態量を算出する状態量算出ステップと、
前記算出された傾き状態量を減少させるための修正ＺＭＰ軌道を算出する修正ＺＭＰ軌道算出ステップと、
前記ＺＭＰ軌道計画ステップによるＺＭＰ軌道と、前記修正ＺＭＰ軌道算出ステップによる修正ＺＭＰ軌道の偏差を算出する軌道偏差算出ステップと、
該ＺＭＰ軌道の偏差に基づいて、前記脚部の次の歩を決定する歩決定ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の運動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法に係り、特に、歩行などの接地期間のみからなる運動以外に、走行や跳躍などの接地期間と無接地期間とが混在する動作を行なうロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に要求される負荷を軽減するロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法に係り、特に、脚部先端の足平の制御により走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に受ける負荷を軽減するロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）と呼ぶ。
【０００５】
２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００６】
２足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。
【０００７】
脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ」が存在する（例えば、非特許文献１を参照のこと）。
【０００８】
要約すれば、ＺＭＰ規範とは、「歩行のあらゆる瞬間において、ＺＭＰが足部と路面とが形成する支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボットが路面に押す方向の力が作用すれば、ロボットが転倒（機体が回転運動）することなく安定に歩行できる」とするものである。
【０００９】
ＺＭＰ規範に基づく２足歩行パターン生成によれば、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。
【００１０】
ところで、従来開発されてきた脚式移動ロボットの移動形態は、いずれかの脚部が常に路面との接触を維持する「歩行」によるものが大半である。通常運用時の脚式移動ロボットにとって、歩行は、機械系・電気系に対して過大な負荷を与えることなく、安全且つ効率的に移動可能な、最適な移動形態と言える。
【００１１】
一方、脚式移動ロボットがその歩行機能だけでは対応できない状況として、地面からの反力が得られない、無接地状態を包含する場合が考えられる。脚式移動ロボットが地面の存在する重力環境中で動作する場合、長期に亘って無接地状態が連続する状況はないが、短期的・断続的無接地状態が発生する状況は多く存在すると考えられる。例えば、ロボットが空隙部を飛び越える、段上から飛び降りる、移動速度を上げるために走行する、バランス維持のために飛び跳ねて立脚位置を変更するなどである。
【００１２】
このような脚式移動ロボットの無接地状態におけるバランス制御を扱った先駆的研究が散見される（例えば、非特許文献２並びに非特許文献３を参照のこと）。しかしながら、これらは、以下のような理由で、実用的な脚式移動ロボットの制御系として利用されるには至らなかった。
【００１３】
（１）無質量脚を仮定しているので、機械設計自由度に対する制約が大きい。
（２）連続跳躍のみを仮定していて、歩行や停止状態との遷移に関するダイナミクスが十分には検討されていない。
（３）足先軌道に関し、幾何的拘束条件を課し難い。
【００１４】
また、ＺＭＰ規範の拡張形として、接地・無接地が混在する場合における脚式移動ロボットの運動パターンの算出方法について提案されている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。しかしながら、同文献では、非線形方程式を解くために収束演算を用いていることから、計算負荷が高く、オフラインであらかじめ運動パターンを算出しておかなければならない。すなわち、実時間で歩行・走行・跳躍などの接地期間と無接地期間が混在する運動パターンを生成できるには至っていない。
【００１５】
歩行制御に関しては、ＺＭＰ規範に基づいて運動パターンを算出する方法が今日の脚式移動ロボットの有力な基礎的制御手段となっている（前述）。ＺＭＰをロボットの機体安定度判別規範に採用する最大のメリットは、足先の幾何的拘束条件の与え易さと、広範な機械モデルへの適用が可能であるなど、その実用性の高さにある。例えば、動作中にオンボードで安定な運動パターンを生成しながら歩行可能とする、実時間歩行パターン生成の技術も確立し、柔軟な制御系の構成に関する報告もある（例えば、非特許文献５を参照のこと）。
【００１６】
一方、走行・跳躍運動などの無接地期間を含む運動に関しては、上述したように、実用的な制御手段は提案されていない状況にある。
【００１７】
例えば、走行や跳躍などの動作を行なう場合、支持脚が離床する瞬間や、遊脚が着床する瞬間には、足首やその他の脚を構成する各関節に要求される負荷は過大となる。これに対し、脚部に緩衝材やその他の負荷吸収機構を装備する、という考え方がある。
【００１８】
ところが、２足歩行ロボットの制御方式の主流である目標ＺＭＰ追従制御（前述）では、足底を剛体と仮定し、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にＺＭＰがあれば転倒モーメントを支えられるものと考えている。したがって、足裏はなるべく剛体に近いものが求められる。これは、前述の衝撃吸収とは相反する立場である。
【００１９】
【非特許文献１】ヴコブラトビッチ（Ｍｉｏｍｉｒ Ｖｕｋｏｂｒａｔｏｖｉ）著「脚式移動ロボット（ＬＥＧＧＥＤ ＬＯＣＯＭＯＴＩＯＮ ＲＯＢＯＴＳ）」（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））
【非特許文献２】松岡清利著「反復跳躍モデル．バイオメカニズム ５」（東京大学出版会、１９８５年、ｐｐ．４５０１−４５０９）
【非特許文献３】マーク・Ｈ・レイバート（Ｍａｒｃ Ｈ．Ｒａｉｂｅｒｔ）外２名著「３次元単脚ホッピング・マシンを用いたバランスに関する実験（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｉｎ Ｂａｌａｎｃｅ ｗｉｔｈ ａ  ３Ｄ ｏｎｅ−Ｌｅｇｇｅｄ Ｈｏｐｐｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）」（ロボット研究に関する国際機関誌（ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、１９８４年、Ｖｏｌ．３、 Ｎｏ．２，ｐｐ．７５−９２）
【非特許文献４】長阪憲一郎著「動力学フィルタによる人間型ロボットの全身運動生成」（１９９９年、東京大学工学部情報工学専攻博士論文）
【非特許文献５】特願２００２−２８８７４５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、歩行などの接地期間のみからなる運動以外に、走行や跳躍などの接地期間と無接地期間とが混在する動作を好適に行なうことができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することにある。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に要求される負荷を軽減することができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することにある。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、脚部先端の足平の制御により走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に受ける負荷を軽減することができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、足部を備えた脚部を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の可操作度を算出する可操作度算出手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際に、可操作度が最大又はより大きくなるように前記足部の接地面に対する拘束条件を設定する拘束条件設定手段を備え、
前記制御部は、足部の接地面に対する拘束条件下で脚部の駆動を制御する、
ことを特徴とするロボット装置である。
【００２４】
また、本発明の第２の側面は、足平と関節部を備えた脚を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際における前記関節部の微小変動量に基づく位置エネルギを算出するエネルギ算出手段を備え、
前記制御手段は、前記位置エネルギが最小又はより小さくなるように前記足平を制御する、
ことを特徴とするロボット装置である。
【００２５】
また、本発明の第３の側面は、複数の脚部を有するロボット装置であって、
前記脚部を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
前記脚部の駆動により前記ロボット装置が移動する際のＺＭＰ軌道を計画するＺＭＰ軌道計画手段と、
前記ロボット装置の傾き状態量を算出する状態量算出手段と、
前記算出された傾き状態量を減少させるための修正ＺＭＰ軌道を算出する修正ＺＭＰ軌道算出手段と、
前記ＺＭＰ軌道計画手段によるＺＭＰ軌道と、前記修正ＺＭＰ軌道算出手段による修正ＺＭＰ軌道の偏差を算出する軌道偏差算出手段と、
該ＺＭＰ軌道の偏差に基づいて、前記脚部の次の歩を決定する歩決定手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【００２６】
本発明に係るロボット装置は、足部を備えた脚部を備え、歩行など接地期間のみからなる脚式動作の他、さらに走行や跳躍など無接地期間を含んだ脚式動作を実現する。ここで、走行や跳躍などの動作を行なう場合、支持脚が離床する瞬間や、遊脚が着床する瞬間には、足首やその他の脚を構成する各関節に要求される負荷は過大となる、という問題がある。
【００２７】
緩衝材やその他の負荷吸収機構を装備することにより着地時に脚の各関節が受ける過大な要求負荷を緩和することができる。しかしながら、目標ＺＭＰ追従制御を行なう場合、足底を剛体と仮定し、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にＺＭＰがあれば転倒モーメントを支えられるものと考えていることから、負荷吸収機構とは相反する立場である。
【００２８】
足平が離床する際や着床する際に、脚が伸びきった状態などの特異姿勢に近づくと、ロボットの関節角θの角速度は無限大となり、関節への負荷が過大となる。そこで、本発明の第１の側面では、ロボットの姿勢の特異姿勢への近さを表す指標の１つとして、可操作度を導入した。自由度の冗長性を利用して特異姿勢を回避することができるが、この場合は床面に接地する足部の拘束条件により冗長性を論じる。すなわち、脚の可操作度に基づいて足部の接地面に対する拘束条件を設定することにより、足平が離床する際や着床する際に脚の各関節が受ける負荷を低減するようにした。
【００２９】
例えば、接地している後脚が前進・跳躍のために離床しようとするとき、足部全体を同時に離床するのではなく、つま先を残すことにより、当該脚は特異姿勢から離れる、すなわち可操作度が大きくなることから、関節への負荷が軽減される。
【００３０】
また、離床中の前脚が前方へ踏み込んで着床しようとするとき、踵から落ちていくことにより、当該脚は特異姿勢から離れる、すなわち可操作度が大きくなることから、関節への負荷が軽減される。
【００３１】
また、本発明の第２の側面では、脚の可操作度に基づいて足部が離床及び接床するときの接地面に対する拘束条件を設定した後、さらに、足部の姿勢（すなわち足平と接地面のなす角）を決定する。このとき、脚の関節への負荷を小さくするために、各関節の微小変動量に基づく位置エネルギが最小又はより小さくなるように、足部の姿勢を決定する。
【００３２】
本発明の第１及び第２の側面に係る脚部の運動制御によれば、可操作度が最大となり、且つ微小変動量に基づく位置エネルギが最小となるように足部の接地面に対する拘束条件並びに接地面となす角を決定した際、関節への負荷を低減するために、例えばつま先接地のように接地面が極めて狭くなるような足部の姿勢がとられる。
【００３３】
ここで、脚が足平全体で接地し、ＺＭＰが比較的広い場合には、支持多角形全体で床反力の作用点を操作することにより姿勢安定性を保つことができる。これに対し、つま先接地の場合（踵接地の場合も同様）、足平の反力操作点を操作することができず、姿勢の立て直しが効かないという問題がある。
【００３４】
そこで、本発明の第３の側面では、走行や跳躍などの脚式動作中に、ロボットの傾き状態量（重心軌道の歪み）を観察し、このような傾き状態量を減少させるような修正ＺＭＰ軌道を算出する。そして、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて、次の歩を決定するようにした。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、歩行などの接地期間のみからなる運動以外に、走行や跳躍などの接地期間と無接地期間とが混在する動作を好適に行なうことができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に要求される負荷を軽減することができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することができる。
【００３７】
また、本発明によれば、脚部先端の足平の制御により走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に受ける負荷を軽減することができる、優れたロボット装置、並びにロボット装置の運動制御方法を提供することができる。
【００３８】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００４０】
図１には、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示している。
【００４１】
同図に示すロボットは、基体に四肢が取り付けられ、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ロール軸、手首ピッチ軸という７自由度からなる左右の腕部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という６自由度からなる左右の脚部で構成されている。
【００４２】
ここで言う基体とは、ロボット装置上で質量操作量が最大となる部位のことを表し、ロボット装置の姿勢安定制御において重要な制御対象点となる。本実施形態では、左右の股関節を繋ぐ骨盤付近に質量操作量が最大となるように設定されている。また、質量操作量とは、ロボット装置内において、同じときに移動させることが可能な部位の質量のことである。例えば、質量操作量が最大の部位とは、ロボット装置内の部位のうち、移動可能で、且つ質量が最大の部位に相当する。たとえ質量が最大の部位であっても移動不可能であれば、その質量操作量は最大とはならない。
【００４３】
図１に示す例では、左右の股関節を繋ぐ骨盤Ｂ１が基体リンクに相当し、上体は３自由度（ロール、ピッチ、ヨー）の腰部関節を介して基体リンクＢ１に接続され、基体リンクＢ１に二肢の６自由度脚部と上体が接続されている。
【００４４】
各関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載する。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報（特願平１１−３３３８６号明細書）に開示されている。
【００４５】
機体の骨盤部には、加速度センサＡ１及びジャイロＧ１が搭載されている。また、左右の足底四隅には、足底面垂直方向の床反力を検出する１軸ロードセル（Ｆ１〜Ｆ８）と、床面までの距離を測定する赤外線測距センサ（Ｄ１〜Ｄ８）がそれぞれ４つ取り付けられている。また、左右の足底中央部には、それぞれ加速度センサ（Ａ２，Ａ３）及びジャイロ（Ｇ２，Ｇ３）が取り付けられている。
ここで、ロボットの質量をｍとし、慣性座標系内での重心位置をｘ＝（ｘ，ｙ，ｚ）Tとし、ロボットが外界から受ける力及びモーメントをそれぞれＦ及びＮとする。
【００４６】
ロボットの運動パターンは、闇雲に作成しても計画通り動作することはなく、運動パターンが発生せんとする力ｆ＝（ｆx，ｆy，ｆz）T及びモーメントｎ＝（ｎx，ｎy，ｎz）Tが実際の環境から反作用として得られるように設定されているときにのみ、計画通り動作することができる。すなわち、Ｆ＝ｆ、Ｎ＝ｎなる外力Ｆ、外モーメントＮの組み合わせが存在し得るように運動パターンが発生せんとする力ｆ、及びモーメントｎに拘束条件を課さなければならない（図２を参照のこと）。
【００４７】
本明細書では、このような力学的な平衡条件に関る拘束条件のことを「動力学的拘束条件」と呼ぶ。一方、足先軌道のように明示的に位置と時間の拘束を与える条件のことを「幾何学的拘束条件」と呼ぶ。
【００４８】
例えば、ロボットが平面に接地している場合の動力学的拘束条件は「ＺＭＰが接地多角形内にあること」と等価であることが知られている（前述）。すなわち、慣性座標系の接地多角形内に任意の点ｐ＝（ｐx，ｐy，ｐz）Tを考え、この点ｐ回りに発生するモーメントをＭ＝（Ｍx，Ｍy，Ｍz）Tとすると、下式を満たすことが動力学的拘束条件を与える。
【００４９】
【数１】
2005177884.tif 000003
【００５０】
上式（１）で表される動力学的拘束条件は、後述するように、運動パターンが発生せんとする力ｆ及びモーメントｎを用いた表記に変換することができる。
【００５１】
一方、無接地状態においては、環境より一切の外力及び外モーメントとも得ることができないので、以下の２式が動力学的拘束条件を与える。
【００５２】
【数２】
2005177884.tif 000004
【００５３】
本実施形態では、このような考えに基づき、接地期間に関しては上式（１）が成立し、無接地期間においては上式（２）及び（３）が成立するような全身の運動パターンを実時間で算出するアルゴリズムを構成することで、脚式移動ロボットにおける自在な歩行・走行・跳躍が可能な制御系を実現する。 以下、本明細書では、式（１）及び（２）を満足するためにロボットの重心位置を操作するとともに、式（３）を満足するためにロボットの基体（骨盤）姿勢を操作する例について述べる。
【００５４】
図３には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの制御システムの機能構成を模式的に示している。同図に示すように、この制御システムは、運動要求入力部３Ａと、実時間全身運動生成部３Ｂと、全身関節駆動部３Ｃより構成される。実時間全身運動生成部３Ｂはさらに、足底位置・姿勢軌道生成部３１と、重心位置軌道生成部３２と、基体姿勢軌道生成部３３と、各軌道補間部（より具体的には、上体関節角参照軌道補間部３４、基体姿勢参照軌道補間部３５、重心位置参照軌道補間部３６、足底位置・姿勢参照軌道補間部３７）と、質点分布調整部３８と、関節角算出部３９から構成される。
【００５５】
運動要求入力部３Ａは、ユーザ・プログラム（あるいは図示しないその他の手段）により時々刻々と決定される上体（腕関節・腰関節）への運動要求（上体関節角参照軌道）と、基体（骨盤）の姿勢角に関る運動要求（基体姿勢基本軌道）と、重心垂直位置軌道に関る運動要求（重心垂直位置基本軌道）と、歩幅・運動周期・旋回角・滞空時間などの下肢運動に関わるパラメータ（下肢運動パラメータ）を入力し、実時間全身運動生成部３Ｂに出力する。
【００５６】
実時間全身運動生成部３Ｂは、動力学的拘束条件に基づく力学的バランス平衡を維持しつつ、現在の運動状態から滑らかに遷移可能で、ユーザ・プログラムからの上体・下肢運動変更要求を共に満足することのできる、次時刻のロボットの運動状態を決定し、全身の関節角参照値として出力する。
【００５７】
全身関節駆動部３Ｃは、実時間全身運動生成部３Ｂから出力される関節角参照値を実現するよう、全身の関節自由度を構成するアクチュエータ・モータをサーボ・コントローラ（図示しない）により駆動する。
【００５８】
実時間全身運動生成部３Ｂ内の足底位置・姿勢軌道生成部３１は、運動要求入力部３Ａより入力された下肢運動に関わるパラメータに基づき、現在の足底位置・姿勢から数歩先までの左右両足底の位置及び姿勢軌道を算出する。
【００５９】
また、重心位置軌道生成部３２は、運動要求入力部３Ａより入力された重心垂直位置基本軌道を最大限に反映しつつ、現在の重心位置軌道に滑らかに接続し、接地期間に関しては動力学的拘束条件としての上式（１）が、無接地期間においては動力学的拘束条件としての上式（２）が成立するような重心位置軌道を算出する。
【００６０】
また、基体姿勢軌道生成部３３は、運動要求入力部３Ａより入力された基体姿勢基本軌道を最大限に反映しつつ、現在の基体姿勢軌道に滑らかに接続し、上記重心位置軌道に係る接地期並びに無接地期の各期間における動力学的拘束条件としての上式（１）及び（２）に加え、無接地期に関して動力学的拘束条件としての上式（３）が成立するような基体姿勢角軌道を算出する。
【００６１】
各軌道補間部（上体関節角参照軌道補間部３４、基体姿勢参照軌道補間部３５、重心位置参照軌道補間部３６、並びに足底位置・姿勢参照軌道補間部３７）は、それぞれ上述のようにして算出された上体関節角参照軌道、基体姿勢参照軌道、重心位置参照軌道、並びに足底位置・姿勢参照軌道の補間処理を実行し、次時刻の上体関節角、基体姿勢角、重心位置、足底位置・姿勢をそれぞれ算出する。質点分布調整部３８は、これらの上体関節角、基体姿勢角、重心位置、足底位置・姿勢を同時に満足するような全身質点分布状態を調整する。
【００６２】
関節角算出部３９では、質点分布調整部３８で得られた次時刻の基体位置、及び足底位置・姿勢軌道生成部３１より得られる次時刻の足底位置姿勢を実現するように脚部の関節角を決定する。これは、両者の相対位置姿勢を求めた後、例えば、周知の逆キネマティクス計算によって実行することができる。
【００６３】
図４には、図３に示した制御システムにおいて実行される処理手順をフローチャートの形式で示している。
【００６４】
制御系は、処理開始後、運動要求入力部３Ａにおいて、上体関節角、基体姿勢、重心垂直位置、下肢運動への運動要求を入力する（ステップＳ１）。
【００６５】
次いで、足底位置・姿勢軌道生成部３１、重心位置軌道生成部３２、及び基体姿勢軌道生成部３３において、足底位置・姿勢軌道、重心位置軌道、基体姿勢軌道をそれぞれ生成する（ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４）。
【００６６】
次いで、上記の各軌道補間部（上体関節角参照軌道補間部３４、基体姿勢参照軌道補間部３５、重心位置参照軌道補間部３６、足底位置・姿勢参照軌道補間部３７）において、次時刻の上体関節角、基体姿勢角、重心位置、並びに足底位置・姿勢をそれぞれ算出する（ステップＳ５）。
【００６７】
さらに、質点分布調整部３８にて全身関節角を算出し（ステップＳ６）、最後に、全身関節駆動部３Ｃにおいて、各関節をサーボ・コントローラにより駆動する（ステップＳ７）。
【００６８】
以上の処理が図３に示した本制御システムの１周期に関る処理である。上記の処理が終了した後は再度ステップＳ１の実行に戻る処理を所定の制御周期Δｔ（例えば１０ミリ秒）毎に実行する。
【００６９】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、自在な歩行・走行・跳躍が可能な制御系を実現する。ここで、走行や跳躍などの動作を行なう場合、支持脚が離床する瞬間や、遊脚が着床する瞬間には、足首やその他の脚を構成する各関節に要求される負荷は過大となる、という問題がある。
【００７０】
一般に、過大な要求負荷を緩和するために、緩衝材やその他の負荷吸収機構を装備する、という考え方がある。ところが、２足歩行ロボットの制御方式の主流である目標ＺＭＰ追従制御（前述）では、足底を剛体と仮定し、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にＺＭＰがあれば転倒モーメントを支えられるものと考えている。したがって、足裏はなるべく剛体に近いものが求められる。これは、前述の衝撃吸収とは相反する立場である。
【００７１】
そこで、本実施形態では、脚部先端の足平の制御により走行や跳躍などの動作において脚が離床時及び着床時に受ける負荷を軽減する、という考え方を導入する。具体的には、（１）脚の可操作度に基づく足部の接地面に対する拘束条件の設定、（２）脚の関節部の微小変化に基づく位置エネルギに応じた足平姿勢の制御、（３）ＺＭＰ軌道修正に基づく歩の制御、という３通りの手段を用いて走行や跳躍を含む脚式動作の実時間制御を実現する。以下、各手段について説明する。
【００７２】
脚の可操作度に基づく足部の接地面に対する拘束条件の設定：
ロボットの重心位置ｘにおける速度と、ロボットの関節角θの角速度（関節角の微小速度）は、一般にヤコビ行列Ｊを用いて、下式のように局所線形的に表現される。
【００７３】
【数３】
2005177884.tif 000005
【００７４】
ここで、行列ＪTＪの対角要素のいずれかが０となる姿勢のことを「特異姿勢」と呼ぶ。上式（４）を変形すると、ロボットの関節角θの角速度は下式のように表される。但し、Ｊ+はヤコビ行列Ｊの擬似逆行列である。
【００７５】
【数４】
2005177884.tif 000006
【００７６】
上式（５）より、ロボットが特異姿勢に近づくとロボットの関節角θの角速度は無限大となり、関節への負荷が過大となることが判る。
【００７７】
ロボットの姿勢の特異姿勢への近さを表す指標の１つとして、可操作度ｗが挙げられる。可操作度ｗは下式で表される。なお、ロボットの特異姿勢や可操作度に関しては、例えば、日本ロボット学会編「ロボット工学」（コロナ社，ｐ．２４７−２４８，１９９０）に記載されている。
【００７８】
【数５】
2005177884.tif 000007
【００７９】
関節形ロボット・アームにおいては、自由度の冗長性（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）を利用して特異姿勢を回避することが一般に行なわれている。これに対し、脚式移動ロボットの可動脚を考えた場合、床面に接地する足部の拘束条件により冗長性を論じることができる。
【００８０】
図５には、脚部の各姿勢を示している。脚が伸びきった状態では可操作度が小さくなり、すなわち特異姿勢に相当する。したがって、ロボットの関節角θの角速度は無限大となり、関節への負荷が過大となる。これに対し、膝や足首のピッチ軸が屈曲し特異姿勢から離れていくにつれ、可操作度が大きくなり、ロボットの関節角θの角速度は小さくなり、関節への負荷が緩和される。
【００８１】
さらに、脚式移動ロボットが歩行や走行、跳躍などの脚式動作時において、可動脚が離床と接床を繰り返す場合を考えた場合、離床の瞬間（例えば跳躍時）、並びに着床の瞬間において、足平の接地状態によっても可操作度は変わる。
【００８２】
図６には、脚式移動ロボットが走行や跳躍などの脚式動作を行なっているときにおける左右の可動脚の姿勢を模式的に示している。
【００８３】
まず、接地している後脚が前進・跳躍のために離床しようとするときの足部の動作について考えてみる。この場合、足部全体を同時に離床するのではなく、つま先を残すことにより、当該脚は特異姿勢から離れる、すなわち可操作度が大きくなることから、関節への負荷が軽減される。これに対し、つま先ではなく踵を残した場合には（図示しない）、特異姿勢により近くなるため、関節への負荷が増大する。
【００８４】
次に、離床中の前脚が前方へ踏み込んで着床しようとするときの足部の動作について考えてみる。この場合、足部全体を同時に着床する（いわゆる「べた足」）のではなく、踵から落ちていくことにより、当該脚は特異姿勢から離れる、すなわち可操作度が大きくなることから、関節への負荷が軽減される。これに対し、踵ではなくつま先から落ちていく場合には（図示しない）、特異姿勢により近くなるため、関節への負荷が増大する。
【００８５】
脚式移動ロボットが走行や跳躍などの脚式動作を行なっているときの足部の動作は、足底位置・軌道生成部３１により生成される。足底位置・軌道生成部３１は、脚の可操作度に基づいて、足部が離床及び接床するときの接地面に対する拘束条件を設定することにより、関節への負荷を軽減する。
【００８６】
図７には、このときの処理手順をフローチャートの形式で示している。まず、足部が離床及び接床するときの当該脚の可操作度を算出する（ステップＳ１１）。そして、ロボットが移動する際に、この可操作度が最大又はより大きくなるように足部の接地面に対する拘束条件を決定する。（ステップＳ１２）。足部の接地面に対する拘束条件は、例えば、離床並びに接床時において、踵、つま先、べた足いずれの部位で着床するかということで表される。そして、この拘束条件に従って足底の位置と軌道を生成する（ステップＳ１３）。
【００８７】
図１３には、足部の接地面に対する拘束と可操作度の関係を例示している。
【００８８】
足平のつま先及び踵の両方を接地面に拘束した位置・姿勢拘束では、可操作度は低下する。脚の動作が進行すると、踵が先に解放されたピン拘束１解放状態となる。離床タイミングでは位置と速度が既知であることから、可操作度は低下する。その後、つま先も接地面から解放されて、ピン拘束２解放状態となる。
【００８９】
脚の関節部の微小変化に基づく位置エネルギに応じた足平姿勢の制御：
上述したように、脚式移動ロボットが走行や跳躍などの脚式動作を行なっているときには、脚の可操作度に基づいて、足部が離床及び接床するときの接地面に対する拘束条件を設定することができる。そして、足部の接地面に対する拘束条件が定まると、さらにこの条件を満たすように足部の姿勢（すなわち足平と接地面のなす角）を決定する。
【００９０】
足部の姿勢を決定する際、脚の関節への負荷が小さくなるようにしなければならない。このためには、各関節の動きが最小、すなわち、各関節の角速度が最小となるように足部の姿勢を決定する必要がある。各関節の角速度が最小とは、エネルギが最小であることと等価である。そこで、本実施形態では、足部の接地面に対する拘束条件に加えて、各関節の微小変動量に基づく位置エネルギが最小又はより小さくなることを規範に加える。
【００９１】
例えば、つま先を残すという接地面に対する拘束条件が設定されているとき、ロボットの重心位置をｘとし、つま先の床面に対する角度（すなわち足平の姿勢）をθと置くと（図８を参照のこと）、ロボットの重心位置ｘにおける速度と、ロボットの関節角θの角速度（関節角の微小速度）は、上式（４）に示したように、ヤコビ行列Ｊを用いて局所線形的に表現される。ここで、脚を構成する関節の位置エネルギは、下式のように表される。
【００９２】
【数６】
2005177884.tif 000008
【００９３】
脚式移動ロボットが走行や跳躍などの脚式動作を行なっているときの足部の動作は、足底位置・軌道生成部３１により生成される。足底位置・軌道生成部３１は、脚の可操作度に基づいて、足部が離床及び接床するときの接地面に対する拘束条件を設定した後、さらに各関節の微小変動量に基づく位置エネルギが最小又はより小さくなるように足部と接地面とのなす角を決定することにより、関節への負荷を軽減する。
【００９４】
図９には、このときの処理手順をフローチャートの形式で示している。足部の接地面に対する拘束条件が設定されると、この条件下で脚を構成する各関節の角度θを決定し（ステップＳ２１）、次いで、跳躍や走行などの動作を行なう際の関節部の微小変動量に基づく位置エネルギを算出する（ステップＳ２２）。そして、この位置エネルギが最小又はより小さくなるように、足平と接地面のなす角を決定する（ステップＳ２３）。
【００９５】
なお、図８に示した例では、足部は、足平に対して回動可能なつま先部を備えているが、つま先と足平が一体で構成される場合であっても、図９に示した手順に従って同様に足平と接地面のなす角を決定することができる。勿論、つま先だけでなく、踵も足平に対して回動可能に構成されていてもよい。
【００９６】
図１４には、脚が離床と着床を交互に繰り返したときの足底姿勢角軌道を示している。図示の例では、着床の初期では踵が線接地した後、足平全体で面接地となる。そして、着床の後期ではつま先が線接地した後、離床すなわち足部は非接地となる。以後、このようなシーケンスが繰り返される。同図の下段には、各時期における足底姿勢角αを示している。
【００９７】
なお、上述した足部の接地面に対する拘束と可操作度の算出、並びに足底姿勢角軌道には、離床期において足底と接地面との距離の測定が必要である。また、このような足底から接地面までの測距データは、アクチュエータの応答不足により滞空時間の減少が発生したときに有効である。
【００９８】
図１５には、足底から接地面までの測距システムの構成を模式的に示している。路面と足底の位置・姿勢の推定値と着床予定状態の差分にゲインＫを与えた後、これを着床状態の修正量とする。そして、着床状態の修正量と着床予定状態の和がフィードバックされ、着床予定状態が設定される。
【００９９】
ＺＭＰ軌道修正に基づく歩の制御：
足底位置・姿勢軌道生成部３１において、可操作度が最大となり、且つ微小変動量に基づく位置エネルギが最小となるように足部の接地面に対する拘束条件並びに接地面となす角を決定し、現在の足底位置・姿勢から数歩先までの左右両足底の位置及び姿勢軌道を算出すると、続いて、重心位置軌道生成部３２は、接地期間及び無接地期間における動力学的拘束条件が成立するように重心位置軌道を算出する。
【０１００】
上述したように、可操作度が最大となり、且つ微小変動量に基づく位置エネルギが最小となるように足部の接地面に対する拘束条件並びに接地面となす角を決定した際、関節への負荷を低減するために、例えばつま先接地のように接地面が極めて狭くなるような足部の姿勢がとられる。
【０１０１】
ＺＭＰを規範とする姿勢安定制御においては、脚式動作のあらゆる瞬間において、ＺＭＰが足部と路面とが形成する支持多角形の内側に存在するように、ＺＭＰ軌道を計画する。ここで、脚が足平全体で接地し、ＺＭＰが比較的広い場合には、支持多角形全体で床反力の作用点を操作することにより姿勢安定性を保つことができる。これに対し、つま先接地の場合（踵接地の場合も同様）、足平の反力操作点を操作することができず、姿勢の立て直しが効かないという問題がある（図１０を参照のこと）。
【０１０２】
そこで、本実施形態では、走行や跳躍などの脚式動作中に、ロボットの傾き状態量（重心軌道の歪み）を観察し、このような傾き状態量を減少させるような修正ＺＭＰ軌道を算出する。そして、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて、次の歩を決定する。
【０１０３】
図１１には、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて次の歩を決定する様子を示している。図示の例では、実線で示すようなＺＭＰ軌道があらかじめ計画されている。そして、後脚がつま先接地しており、姿勢の立て直しが効かない状態である。このときのロボットの傾き状態量を観察し、このような傾き状態量を減少させるような修正ＺＭＰ軌道を算出する。そして、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて、図中破線で示すような次の歩を決定する。
【０１０４】
図１２には、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて次の歩を決定するための処理手順をフローチャートの形式で示している。ロボットがあらかじめ計画されたＺＭＰ軌道に従って走行や跳躍などの脚式動作を行なっている際、ロボットの傾き状態量を観察する（ステップＳ３１）。そして、このような傾き状態量を減少させるような修正ＺＭＰ軌道を算出する（ステップＳ３２）。元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差を求め（ステップＳ３３）、これに基づいて、次の歩（歩幅や足平の接地位置）を決定する（ステップＳ３４）。
【０１０５】
重心位置軌道生成部３２において、修正ＺＭＰ軌道に基づいて次の歩が決定されると、これが足底位置・姿勢軌道生成部３１にフィードバックされる。足底位置・姿勢軌道生成部３１では、現在の足底位置・姿勢から数歩先までの左右両足底の位置及び姿勢軌道を改めて算出する。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１０７】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０１０８】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、Ｆ＝ｆ、Ｎ＝ｎなる外力Ｆ，外モーメントＮの組み合わせが存在し得るように運動パターンが発生せんとする力ｆ及びモーメントｎに拘束条件（動力学的拘束条件）を課す様子を示した図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボットの制御システムの機能構成を模式的に示した図である。
【図４】図４は、図３に示した制御システムにおいて実行される処理手順を示したフローチャートである。
【図５】図５は、ロボットの脚の特異姿勢及び可操作度を説明するための図である。
【図６】図６は、脚式移動ロボットが歩行や走行、跳躍などの脚式動作を行なっているときの左右の可動脚の姿勢を模式的に示した図である。
【図７】図７は、脚の可操作度に基づいて、足部が離床及び接床するときの接地面に対する拘束条件を設定するための処理手順を示したフローチャートである。
【図８】図８は、つま先を残すという接地面に対する拘束条件が設置されているときの脚と重心の関係を示した図である。
【図９】図９は、関節部の微小変動量に基づく位置エネルギを規範として足部の接地目となす角を制御するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１０】図１０は、脚平の姿勢と姿勢安定性との関係を説明するための図である。
【図１１】図１１は、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて次の歩を決定する様子を示した図である。
【図１２】図１２は、元のＺＭＰ軌道と修正ＺＭＰ軌道との偏差に基づいて次の歩を決定するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１３】図１３は、足部の接地面に対する拘束と可操作度の関係を例示した図である。
【図１４】図１４は、脚が離床と着床を交互に繰り返したときの足底姿勢角軌道を示した図である。
【図１５】図１５は、足底から接地面までの測距システムの構成を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１１０】
３Ａ…運動要求入力部
３Ｂ…実時間全身運動生成部
３Ｃ…全身関節駆動部
３１…足底位置・姿勢軌道生成部
３２…重心位置軌道生成部
３３…基体姿勢軌道生成部
３４…上体関節角参照軌道補間部
３５…基体姿勢参照軌道補間部
３６…重心位置参照軌道補間部
３７…足底位置・姿勢参照軌道補間部
３８…質点分布調整部
３９…関節角算出部
【図１】
2005177884.tif 000009
【図２】
2005177884.tif 000010
【図３】
2005177884.tif 000011
【図４】
2005177884.tif 000012
【図５】
2005177884.tif 000013
【図６】
2005177884.tif 000014
【図７】
2005177884.tif 000015
【図８】
2005177884.tif 000016
【図９】
2005177884.tif 000017
【図１０】
2005177884.tif 000018
【図１１】
2005177884.tif 000019
【図１２】
2005177884.tif 000020
【図１３】
2005177884.tif 000021
【図１４】
2005177884.tif 000022
【図１５】
2005177884.tif 000023